Precisión y diversidad de procesos bajo control

Para hacer frente a los requisitos extraordinarios y a la alta presión de costes en la industria de semiconductores, la automatización desempeña un papel clave. (Imagen: © IM Imagery/stock.adobe.com) / La automatización desempeña un papel clave para afrontar los requisitos extraordinarios y la alta presión de costes en la industria de semiconductores. (Imagen: © IM Imagery/stock.adobe.com)

La mayoría de los principales fabricantes de equipos en la industria de semiconductores confían hoy en EtherCAT, un desarrollo de Beckhoff. (Imagen: © Beckhoff)

Los módulos I/O de la serie EJ se insertan directamente en las placas de circuito, reemplazando así las complicadas placas I/O en sistemas para producción en serie. (Imagen: © Beckhoff)

Nuevas tecnologías como XPlanar permiten procesos innovadores de manipulación en la producción de semiconductores. (Imagen: © Beckhoff) / New technologies such as XPlanar enable innovative handling processes in semiconductor production. (Picture: © Beckhoff)

Dado que en la fabricación de semiconductores la autonomía también desempeña un papel cada vez más importante, se utilizan cada vez más sistemas de transporte sin conductor. (Imagen: © IM Imagery/stock.adobe.com) / Los sistemas de transporte sin conductor, por ejemplo, se están utilizando cada vez más debido a que la autonomía también está jugando un papel cada vez mayor en la fabricación de semiconductores. (Imagen: © IM Imagery/stock.adobe.com)

Marcel Ellwart, Gestión del sector de la industria de semiconductores, Beckhoff Automation. (Imagen: © Beckhoff) / Marcel Ellwart, Semiconductor Industry Management, Beckhoff Automation. (Imagen: © Beckhoff)

En ningún otro sector industrial los procesos son tan complejos como en la fabricación de semiconductores. Pero, ¿cómo logra esta industria responder a las crecientes demandas con soluciones innovadoras? Con su oferta de automatización, Beckhoff demuestra que los conceptos de control modernos, los estándares de comunicación flexibles y los sistemas perfectamente coordinados no solo hacen que la producción de semiconductores sea más eficiente, sino también más segura para el futuro.

Entre 3.000 y 8.000 componentes semiconductores se utilizan en los automóviles eléctricos actuales para el control del motor, la gestión de la batería y los sistemas de asistencia, con una tendencia claramente al alza. Pero, independientemente de si se trata de movilidad, comunicación, salud, seguridad, entretenimiento, suministro de energía o protección del medio ambiente: los semiconductores constituyen la base para la innovación y el progreso en casi todos los ámbitos de la vida. Como resultado, la industria de semiconductores tiene una importancia sobresaliente en nuestra sociedad. Sin embargo, la industria debe enfrentarse a los mismos desafíos que otros sectores: demandas crecientes en calidad, eficiencia y productividad, al mismo tiempo que aumenta la presión de costes. Para hacer frente a esto, la automatización juega un papel clave en la fabricación de semiconductores, igual que en otros ámbitos.

En dos aspectos, la fabricación en este sector difiere radicalmente del resto de la industria: uno es la precisión requerida en la producción. Los procesadores modernos contienen a menudo varios miles de millones de transistores. Para ello, es necesario aplicar estructuras con distancias en el rango de nanómetros en las obleas. Esto conduce directamente al segundo punto: una cantidad sin precedentes de pasos de producción diferentes, necesarios para trabajos tan delicados. Decenas de procesos deben integrarse sin fisuras, la mayoría en entornos de sala limpia. "Por muy diferentes que sean los pasos desde la fabricación de obleas, la litografía, las pruebas o el empaquetado: todos requieren un control exacto y una supervisión sin fisuras", dice Marcel Ellwart, gerente de sector para la industria de semiconductores en Beckhoff. "Además, las instalaciones de producción deben ser flexibles para responder a variaciones en los productos y garantizar altos rendimientos con la máxima calidad. Esto hace imprescindible el uso de tecnología de automatización moderna."

EtherCAT – el estándar para la industria de semiconductores

Con su amplio y flexible portafolio, Beckhoff puede cubrir con precisión los procesos y aplicaciones multifacéticos en la industria de semiconductores. Un papel especial lo juega la comunicación: "Con EtherCAT, Beckhoff ha desarrollado un estándar de campo que ya está establecido como el protocolo de comunicación líder en la fabricación de semiconductores", destaca Marcel Ellwart. La mayoría de los grandes fabricantes de equipos hoy en día utilizan EtherCAT. El éxito se debe a su capacidad en tiempo real, así como a su alta flexibilidad y escalabilidad. "Gracias a su arquitectura abierta y a su amplia aceptación por parte de los fabricantes, EtherCAT permite una integración sencilla de componentes y sistemas, desde sensores hasta actuadores y controles complejos", explica el gerente del sector.

Con Control basado en PC, Beckhoff proporciona a la industria de semiconductores el concepto de control adecuado. Cubre todas las tareas de automatización: desde la fabricación de obleas, el procesamiento, hasta el empaquetado de los chips. Además, el enfoque de Beckhoff no solo incluye la PLC, sino también la conexión HMI, control de movimiento, tecnología de medición o visión. La plataforma de software TwinCAT 3 transforma los PC industriales en sistemas de control en tiempo real eficientes para todos los procesos de ingeniería y operación. Adaptada a las diversas necesidades de la industria de semiconductores, el software de automatización está construido de manera modular y puede ampliarse con numerosas funciones.

Sector especial – valor añadido especial

Con su portafolio, Beckhoff ofrece en la industria de semiconductores una respuesta sólida a los desafíos mencionados al inicio. Entre ellas, algunas innovaciones de la empresa de Verl que aportan un beneficio especialmente alto en el sector:

– Los compactos módulos de conexión EtherCAT de la serie EJ sustituyen en las instalaciones de producción en serie las placas de E/S desarrolladas de forma compleja. Se insertan directamente en una placa de distribución de señales y distribuyen señales o tensión a conectores específicos para la aplicación. Esto ahorra tiempo, costes y espacio. Además, elimina el riesgo de cableado incorrecto. Los módulos EJ, como las clásicas terminales EtherCAT, ofrecen una gran variedad de señales y una seguridad y control de movimiento totalmente integrados.
– Para reducir la complejidad de las instalaciones, Beckhoff integra el control de accionamiento de servomotores y motores paso a paso directamente en las E/S. En el segmento de 48 V DC, los módulos de conexión EtherCAT, los terminales de servomotores o los módulos de caja, en combinación con la serie de motores AM8100, permiten ejes servo extremadamente compactos con alta dinámica y precisión. Para el funcionamiento de ejes de ajuste o accionamientos con amplificadores de servomotores directamente en la máquina, también es posible una regulación integrada en la E/S.
– En cuanto a tecnología de medición, el portafolio de Beckhoff cumple con las exigencias de la industria de semiconductores: desde el ciclo secundario hasta el rango de kHz, desde medición de tensión y corriente, vibraciones hasta medición de fuerza. Los módulos de medición de alta gama de la serie ELM están integrados sin fisuras en el sistema de E/S EtherCAT y miden de manera fiable canales de medición críticos para el proceso. Para analizar los datos generados, TwinCAT ofrece funciones potentes.
– Beckhoff Vision integra procesamiento de imágenes en tiempo real para la fabricación de obleas en entornos de control nuevos y existentes. No es necesario dividir entre visión y tecnología de automatización. Al mismo tiempo, los componentes de visión ofrecen un diseño robusto, alta escalabilidad y disponibilidad a largo plazo, desde las cámaras, ópticas e iluminación hasta el software TwinCAT Vision.
– XPlanar revoluciona el manejo en la industria de semiconductores. Porque el sistema de accionamiento de motor plano transporta las piezas de forma dinámica, con máxima precisión y gran libertad de movimiento, tanto en un sistema como de máquina en máquina. Los transportadores flotan sin contacto y de forma independiente, siguiendo rutas predefinidas. Los productos pueden adelantarse, ser expulsados o almacenados temporalmente sin afectar el flujo de producción.
– Las soluciones modernas de IA ofrecen un potencial enorme para la fabricación de semiconductores. Beckhoff ha integrado el aprendizaje automático en el software de control TwinCAT 3, proporcionando un conjunto de hardware y software para integrar modelos de IA directamente en la PLC. Los usuarios disponen de un flujo de trabajo abierto, desde la adquisición de datos, el entrenamiento del modelo hasta la ejecución de modelos aprendidos, sin efecto de bloqueo. Las aplicaciones que Beckhoff ya ofrece con IA incluyen detección de anomalías para mantenimiento predictivo, clasificación de imágenes en control de calidad o análisis de series temporales para mejorar los procesos de producción.

Historias de éxito en semiconductores de Beckhoff

Con su amplio portafolio y profundo conocimiento del sector, Beckhoff ha automatizado en los últimos años un impresionante número de aplicaciones a lo largo de toda la cadena de valor en la producción de semiconductores. La versatilidad de las soluciones se ilustra con los siguientes ejemplos, sobre los cuales la revista para clientes de Beckhoff, PC-Control, ya ha informado en detalle.

Fabricación de cristales: La empresa Jingsheng Mechanical & Electrical (JSG) utiliza una solución de Beckhoff basada en PC integrados, TwinCAT 3 y módulos de E/S EtherCAT para automatizar sus hornos de cristalización de monocristales. Reemplaza antiguos sistemas de control PLC y temperatura, ofreciendo mayor flexibilidad, escalabilidad y posibilidades de integración. El núcleo del proceso es el control preciso de temperatura, esencial para la cristalización del cristal, ya que garantiza su calidad mediante un control uniforme de temperatura durante largos períodos.

Gases de alta pureza: Applied Energy Systems (AES) ha desarrollado un nuevo regulador para el suministro de gases ultralimpios, para cumplir con los requisitos de Industria 4.0 en la fabricación de semiconductores. Además del compacto panel PC CP6606 de Beckhoff, la empresa apuesta por los módulos de E/S modulares de la serie EJ. El sistema ultracompacto mantiene el tamaño de carcasa anterior, pero ofrece funciones ampliadas, interfaces OPC-UA y en la nube, opciones de adaptación flexible y un tiempo de instalación reducido en un 50 %.

Manejo de chips: Mühlbauer también confía en los módulos de E/S EJ en sus máquinas de clasificación de obleas de alta precisión para la producción final de semiconductores. Esto permite procesar 30.000 microchips por hora con mejor manejo de las obleas y menor esfuerzo de cableado. Cuatro placas de distribución de señales especialmente diseñadas, con un total de 26 módulos EtherCAT, integran E/S digitales y analógicas, encoders incrementales, módulos de motores paso a paso, así como lógica de alimentación y amplificadores de servomotores para motores de cerámica o piezoeléctricos.

Nuevos materiales: El óxido de galio ofrece un gran potencial para la fabricación de nuevos materiales semiconductores. Sin embargo, el desarrollo en las instalaciones existentes ha estado limitado por la flexibilidad, fiabilidad y altos costes. La empresa Agnitron ha creado una solución versátil basada en control por PC, que puede adaptarse en pocos días. EtherCAT permite una red compacta y eficiente para numerosos termopares y E/S, facilitando además la integración sencilla de equipos de campo existentes.

Empaquetado avanzado: Dado que la miniaturización cada vez más limita los métodos tradicionales basados en litografía, la startup Fonontech apuesta por un nuevo enfoque. La tecnología Impulse Printing™ utiliza placas de silicio con estructuras micrométricas y estructuras de calefacción integradas. El objetivo es una resolución de 5 µm con errores mínimos de superposición. La regulación empleada permite, mediante Control basado en PC, EtherCAT y la tecnología XFC (Control Extremo Rápido), una sincronización y posicionamiento en tiempo real adecuados.

IA y Edge: el comienzo de una nueva era

Estos ejemplos de aplicaciones subrayan que la fabricación de semiconductores está en el inicio de una nueva era. "Las soluciones de automatización de Beckhoff ofrecen las mejores condiciones para afrontar los nuevos desafíos y realizar procesos de fabricación inteligentes", resume Marcel Ellwart. La combinación de control basado en PC, procesamiento de datos potente y comunicación EtherCAT en tiempo real permite integrar algoritmos de IA para optimizar procesos. Las soluciones en el borde (Edge) permiten un análisis de datos descentralizado directamente en la máquina, acortando los tiempos de respuesta y aumentando la disponibilidad de las instalaciones. Este tipo de enfoques allanan el camino hacia una producción de semiconductores más eficiente, flexible y sostenible en el futuro.